Wärmemanagement für Beleuchtungen Eine hitzige Debatte

Mechanische Design-Aspekte

Während das Kühlkörperdesign meist Standard ist, geht die Forschung auf diesem Gebiet jedoch weiter. Als Beispiel dient die HDDC-Technologie (High Density Die Casting) von Aavid Thermalloy. Bei der von Universitätspartnern entwickelten Technologie handelt es sich um einen Prozess, der „endkonturähnliche“ Teile mit besseren mechanischen und thermischen Eigenschaften als Spritzgussteile ermöglicht. Diese Fertigungsmethode eignet sich für hochleistungsfähige Kühlkörper und flüssigkeitsgekühlte Cold Plates auf Basis von Aluminiumlegierungen (Bild 1). Eine neue Prozesssteuerung während des Aushärtens ermöglicht eine feinkörnige Struktur mit nahezu Null Porosität (also keinerlei Luftlücken zwischen den Oberflächen).

HDDC-Kühlkörper sind dann nützlich, wenn hohe Mengen an Kühlvorrichtungen und/oder Spezialformen erforderlich sind. HDDC bietet einen guten Kompromiss zwischen Kosten und Leistungsfähigkeit und kann sogar günstiger als gepresste Profile sein, die für LEDs auf Länge geschnitten werden. Die Technik unterstützt auch eine nahtlose Integration von Wärme-Schnittstellenmaterialien wie Kupfer oder Graphit.

Kundenspezifische Kühlkörper für LED-Anwendungen stehen von MechaTronix zur Verfügung. Beispielprojekte umfassen ein kundenspezifisches Gehäuse für Spot-Beleuchtungen) und CoolFin-modifiziertes Strangpressen. MechaTronix bietet zudem über 600 stranggepresste, geformte und Die-Cast-Standardkühlkörper der Serien HighBay, ModuLED und Pin Fin.

Zurück zu den beiden Kategorien der Konvektion: natürlich und erzwungen. Letztere umfasst eine Kombination aus Kühlkörper und Lüfter. Ein neueres Beispiel sind die SynJet-Kühlkörper von Nuventix. Diese zuverlässigen lüfterlosen Air Movers (Bild 2) verwenden Schwingmembranen anstelle beweglicher Teile und erzeugen einen konstanten Luftstrom entlang den Rippen des Kühlkörpers. Sie kommen in rauen Anwendungen mit geringem Platzangebot zum Einsatz und ermöglichen den Einbau von Kühlkörpern, die bis zu 60 Prozent kleiner sind. SynJets arbeiten im Temperaturbereich von –40 bis +105 °C sowie in feuchten Umgebungen mit 85 °C Raumtemperatur und 85 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit. Ein weiterer Vorteil ist deren turbulenter Luftstrom. Dieser ist effizienter als ein direkter Luftstrom, wie er von herkömmlichen Lüftern erzeugt wird. Dabei ist weniger Luft erforderlich, um die Wärme vom Kühlkörper abzuleiten.

Wärme-Ableitung maximieren

Das LED-Gehäuse wird meist auf eine Leiterplatte gelötet, die wiederum mit einem Kühlkörper verbunden ist. Einige Leiterplatten eignen sich besser für HBLED-Anwendungen als andere. Die thermisch verbesserten PCB-Substrate von Laird wurden speziell für High-Brightness-LEDs entwickelt. Im Vergleich zu herkömmlichen FR4-basierten PCBs erhöht das Material die Wärmeleitfähigkeit um das Acht- bis Zehnfache. Dabei werden die Kupfer-Schaltkreis-Kontaktflächen und die Kontaktflächen der Aluminium- oder Kupferbasis über ein hochleitfähiges, verlustarmes Dielektrikum miteinander verbunden.

Eine weitere Möglichkeit, LEDs zu kühlen, ergibt sich durch wärmeleitfähige Isolatoren, Pasten und Gap Filler, die den Wärmetransport durch Auffüllen von Lücken oder Hohlräumen maximieren. Der Markt bietet eine Vielzahl von Wärme-Schnittstellenmaterialien (TIM; Thermal Interface Material). Sie reichen von Loten und metallisch angereicherten Epoxiden bis hin zu silber-gesinterten

Die Befestigungsmaterialien, wenn höchste Wärmeleitfähigkeit gefordert ist. Materialien mit Phasenübergang – feste Konsistenz bei Raumtemperatur sowie zäh bis flüssige Konsistenz bei Betriebstemperatur – kommen zwischen der metallischen LED-Rückseite und dem Kühlkörper zum Einsatz. Sie lassen sich zudem einfacher handhaben als Wärmeleitpasten.

Unzureichendes Wärmemanagement kann das Wärme-Schnittstellenmaterial zwischen der LED und dem Kühlkörper/Wärmeverteiler beschädigen. Es wird daher empfohlen, dass Entwickler auch andere Aspekte berücksichtigen, die das Wärmemanagement beeinflussen. Am besten erfolgt zuerst eine Berechnung der LED-Sperrschichttemperatur. Damit lässt sich bestimmen, wie viel Kühlaufwand für das Design erforderlich ist.

Avnet Abacus bietet eine Vielzahl von Standardprodukten, die schnellen und einfachen Zugriff auf Kühlungslösungen für neueste LEDs bieten. Zusätzlich stehen Produktspezialisten vor Ort zur Verfügung, mit denen beispielsweise unter abacus.avnet.com/wps/portal/abacus/about-us/media-centre/ask-an-expert“ Kontakt aufgenommen werden kann.


Nach Unterlagen von Thomas Kupfer (Avnet Abacus)